JP4927571B2 - 半導体素子、半導体モジュールおよび電子機器 - Google Patents

半導体素子、半導体モジュールおよび電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、熱伝導率が面に垂直方向に比して面内方向で高い異方性熱伝導部材を有する半導体素子、半導体モジュールおよび電子機器に関する。
従来、半導体素子、レーザ素子、及びこれらのモジュール等（以下、発熱素子等という。）の冷却は、ヒートシンクを取り付ける方法、基板に放熱する方法等がとられてきた。単体のレーザチップでは、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを用いて放熱する方法が用いられ、Ｓｉチップ等の半導体素子及びこれらのモジュールでは、発熱素子等からの熱をリード経由で基板に放熱する方法が広く用いられている。
近年、携帯電話機等の携帯端末には、機能の拡大、送信電力の増大等の要求が一層高まってきている。かかる要求に応えるためには、内蔵する発熱素子等からの発熱量の増大の問題を解決しなければならない。極言すると、現状のままの放熱方法では、手で持つことさえ不可能になると言われている。そのため、内蔵する発熱素子等の効率的な冷却技術がきわめて重要となってきている。また、機能の拡大に伴う部品点数の増大により、発熱素子等に用いられる冷却手段は省スペース化が可能なものでなければならない。
ここで、等方的な熱伝導部材を用いたのでは、熱が輸送の途中で拡散してしまい、効果的に輸送できず、冷却、熱電変換等を効率的に行うことができないという問題があった。そのため、熱伝導部材として、例えばα−Ｓｉ３Ｎ４リッチ相とβ−Ｓｉ３Ｎ４リッチ相とを交互に積層して多層化した多層熱伝導部材を形成し、異層界面におけるフォノン散乱を利用して、層に垂直な方向のフォノン散乱を生じやすくし、この方向の熱絶縁性（以下、層垂直方向熱絶縁性という。）を向上させる方法なども検討されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この熱絶縁材料は、固溶体のある層と固溶体のない層を積層したものであり、積層厚が100μｍ程度とフォノンの自由行程距離よりも大幅に大きい厚さであり、さらに本発明のように膜厚方向には熱絶縁化しているが、膜面内では高熱伝性を有していない。
特開平８−２７６５３７号公報
しかしながら、従来の多層熱伝導部材を有する半導体素子、レーザ素子、及びこれらのモジュール等では、熱をヒートシンクまで効率良く伝達させて冷却することができないという問題があった。これは、従来の多層熱伝導部材では、各層の膜厚が１００μm程度以上と、フォノンの平均自由行程よりも大幅に大きいため、熱を効率よく多層熱伝導部材内に閉じ込めることができず、熱輸送の際に熱が拡散してしまっていたからである。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、省スペースかつ冷却効率の向上が可能な、半導体素子、半導体モジュールおよび電子機器を実現することを目的とする。
本発明の第１の態様に係る半導体素子は、半導体チップと、前記半導体チップの少なくとも１つの面に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層と、前記異方性熱伝導部材内の熱を外部に放熱するヒートリードと、前記異方性熱伝導部材と前記ヒートリードとを熱的に接触させる接触層と、前記異方性熱伝導部材、ヒートリード及び前記接触層を覆う保護膜と、を備えることを特徴とする。
この態様によれば、異方性熱伝導部材は、面内で高い熱伝導率を有するため、半導体チップにおける局部的に突出して温度の高い部分の温度を下げ面内の温度分布を均一化させる。異方性熱伝導部材内の熱は、接触層を介してヒートリード側に伝達し、ヒートリード１３０を介して放熱される。これにより、半導体チップで発生した熱を効果的に放熱できる。また、異方性熱伝導部材を用いることによって異方性熱伝導部材の層に垂直方向への熱拡散を抑えることが可能となり、ヒートシンク等への熱伝達を効率的にすることができるため、冷却効率が飛躍的に改善できる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、端面出射型のレーザチップと、前記レーザチップの共振方向に沿った端面であって前記レーザチップを挟む２つの積層方向の端面の少なくとも一方に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記異方性熱伝導部材が形成された積層方向端面に交差する端面であって前記共振方向に沿った端面上に、接触層を介して前記異方性熱伝導部材に接触するように形成されたヒートシンクと、を備えるレーザ素子として構成され、前記レーザチップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする。
この態様によれば、レーザチップが発生した熱は、異方性熱伝導部材に伝わっていき、異方性熱伝導部材内を温度勾配に応じて流れる。その熱は、異方性熱伝導部材内を温度の低いヒートシンク側に伝達し、ヒートシンクで外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材内の熱伝導層内に閉じ込められたままヒートシンク側に伝達する。その結果、レーザチップを効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、レーザチップ内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、端面出射型のレーザチップと、前記レーザチップの共振方向に沿った端面であって前記レーザチップを挟む２つの積層方向の端面の少なくとも一方に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記レーザチップから所定距離離れた位置に形成されたヒートシンクと、を備えるレーザ素子として構成され、前記レーザチップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、半導体チップを有する層と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材からなる層とが交互に積層され３次元実装構造を有する３次元実装積層型半導体チップと、前記３次元実装積層型半導体チップの各層に交差する側面上に形成されたヒートシンクと、前記半導体チップの各層に接続する電極と、を備える積層型半導体素子として構成され、前記半導体チップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材からなる層を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする。
この態様によれば、半導体チップを有する層（半導体チップ層）で発生した熱は、周囲の異方性熱伝導部材からなる層（異方性熱伝導部材層）に伝わっていき、異方性熱伝導部材層内を温度勾配に応じて流れる。熱は、異方性熱伝導部材層内を温度の低いヒートシンク側に伝達し、ヒートシンクで外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材内の２次元的空間に閉じ込められたままヒートシンク側に伝達する。その結果、半導体チップ層を効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、半導体チップ層内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、出射方向を揃えて１列に配置されたレーザチップを有する層と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材からなる層とが交互に積層された積層型高出力レーザチップと、前記レーザチップの各層に交差する側面上に前記異方性熱伝導部材に接触するように形成されたヒートシンクと、前記レーザチップの各層に接続する電極と、を備える積層型高出力レーザ素子として構成され、前記レーザチップの各層が発生する熱を前記異方性熱伝導部材からなる層を介してヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記電極が前記半導体チップのいずれか１つ以上の層を貫通する貫通電極であることを特徴とする。
この態様によれば、動作の高速化が図れる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記半導体チップと、前記異方性熱伝導部材とを金属粒子、酸化物粒子、およびハンダ粒子のいずれかからなるナノ粒子を介して接触させることを特徴とする。
この態様によれば、前記半導体チップと、前記異方性熱伝導部材との熱接触抵抗を低く抑えることができる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記レーザチップと、前記異方性熱伝導部材とを金属粒子、酸化物粒子、およびハンダ粒子のいずれかからなるナノ粒子を介して接触させることを特徴とする。
この態様によれば、前記レーザチップと、前記異方性熱伝導部材との熱接触抵抗を低く抑えることができる。
本発明の第２の態様に係る半導体モジュールは、上記第１の態様に記載の半導体素子を有することを特徴とする。
本発明の他の態様に係るレーザモジュールは、上記他の態様のいずれか一つに記載のレーザチップを有する半導体素子を有し、レーザモジュールとして構成されたことを特徴とする。
この態様によれば、波長の安定性、高い発光効率等を確保することが可能となる。
本発明の他の態様に係るレーザモジュールは、上記他の態様のいずれか一つに記載の前記レーザチップを複数個並列に並べた構造を有し、レーザモジュールとして構成されたことを特徴とする。
この態様によれば、レーザチップを複数個並列に並べた構造を有するレーザモジュールにおいて、波長の安定性、高い発光効率等を確保することが可能となる。
本発明の第３の態様に係る電子機器は、上記半導体モジュールを基板に組み込んだことを特徴とする。
本発明の他の態様に係る電子機器は、自動車用制御機器であることを特徴とする。
本発明に他の態様に係る電子機器は、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材を備え、発熱源から前記異方性熱伝導部材を用い基板面に平行な方向に熱を移送し、発熱源から所定距離離間した位置のヒートシンクに熱を移送し放熱を行うことを特徴とする。
本発明の第１の態様に係る半導体素子は、発光ダイオードチップと、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、基板と、を備え、前記基板上に前記異方性熱伝導部材が形成されており、前記異方性熱伝導部材の表面上に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする。
この態様によれば、基板上に異方性熱伝導部材を形成し、この異方性熱伝導部材の表面上に発光ダイオードチップを実装することで半導体素子を作製できるので、図１６に示す従来技術のような素子設計上、構造に制約がなくなる。これにより、構造が簡単で、汎用基板への高効率成膜が可能となり、製造コストを低減することができる。また、異方性熱伝導部材により発光ダイオードチップ全体の温度、特にそのピーク温度が下げられるので、発光ダイオードの長寿命化を図れる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記異方性熱伝導部材の側面と前記基板の側面のうち、少なくとも前記異方性熱伝導部材の側面に、前記発光ダイオードチップから前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする。
この態様によれば、異方性熱伝導部材により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、発光ダイオードチップからの熱が異方性熱伝導部材を介して冷却放熱手段に伝達され、放熱されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な半導体素子を実現できる。
本発明の第１の態様に係る半導体素子は、活性層および電流狭窄層を有する半導体レーザ素子と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、基板と、を備え、前記異方性熱伝導部材が前記電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成されていることを特徴とする。
この態様によれば、電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成された異方性熱伝導部材により半導体レーザ素子の活性層近傍の温度分布が平坦化されて、活性層近傍のピーク温度が下げられる。これにより、活性層近傍の低温化、特に活性層近傍のピーク温度の低温化を図ることができるので、半導体素子の長寿命化を図ることができる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記半導体レーザ素子の側面に冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする。この態様によれば、異方性熱伝導部材により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、半導体レーザ素子からの熱が異方性熱伝導部材を介して冷却放熱手段に伝達されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な半導体素子を実現できる。
本発明によれば、異方性熱伝導部材を、少なくとも1つ以上積層構造を有すると共に異方性を高くして熱を効率よく閉じ込めることができるようにし、これを用いて異方性熱伝導部材の層に垂直方向への熱拡散を低減し発熱素子等からの熱を効率よく伝播させて放熱できる構成としたため、省スペースかつ冷却効率の向上が可能な、半導体素子、レーザ素子、これらのモジュールおよび電子機器を実現できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施の態様）
図１は、本発明の第１の実施の態様の半導体素子の構成を説明するための部分断面図である。図１（ａ）において、半導体素子１００は、半導体チップ１１０の少なくとも１つの面に形成された異方性熱伝導部材１２０と、異方性熱伝導部材１２０内の熱を外部に放熱するヒートリード１３０と、異方性熱伝導部材１２０とヒートリード１３０とを熱的に接触させる接触層１４０と、異方性熱伝導部材１２０及びヒートリード１３０及び接触層１４０を覆う保護膜１５０とを備えるように構成される。この構成では、半導体チップ１１０との導通は、例えばリードフレーム技術を用いて行われる。
ここで、半導体チップ１１０とは、シリコンチップ等の半導体基板に集積回路等が形成されたものをいい、電極パッド等の所定の部分を除き、電気的な絶縁処理が施されたものをいう。ただし、絶縁処理は、半導体チップ１１０と異方性熱伝導部材１２０との間の熱接触抵抗が所定範囲内に収まるように施されているものとする。
異方性熱伝導部材１２０は、図１に示すように、半導体チップ１１０に直付けされている。図１（ａ）は、半導体チップ１１０の面上に、半導体チップ１１０を挟むように異方性熱伝導部材１２０が直に設けられる構成の一例を示す図である。また、図１（ｂ）は、半導体チップ２１０の一方の面上に、異方性熱伝導部材２２０が直に設けられる構成の一例を示す図である。この構成では、半導体素子２００がＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）用の回路基板等の所定の部材２６０上に形成され、ヒートリード２３０が接触層２４０を介して異方性熱伝導部材２２０に接合され、保護膜２５０が異方性熱伝導部材２２０上を覆うようになっている。ＢＧＡ技術では、ボール状の電極端子が、部材２６０の半導体素子２００がマウントされる面と反対側の面に多数取り出される。
ここで、半導体チップ１１０と異方性熱伝導部材１２０とを、ナノ粒子を介して接触させるのは、熱接触抵抗を低く抑えることができるため好ましい。以下、ナノ粒子からなる材料を主要材料として含み、形成後に主にナノ粒子から層を形成できる材料を単にナノ粒子材料という。また、半導体チップ１１０の一方の面上に異方性熱伝導部材１２０を設ける上記の構成では、発熱源側に異方性熱伝導部材１２０を設けるのが、放熱性を高くできるため好ましい。
図２は、本発明の第１の実施の態様の異方性熱伝導部材の断面構造の一例を模式的に示す図である。図２において、異方性熱伝導部材１２０は、少なくとも面内で熱伝導率の高い材料からなる複数の熱伝導層１２１と、各熱伝導層１２１を挟むように積層され層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、後述する式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層１２２とを有するように構成される。ここで、熱伝導層１２１の層数、各熱伝導層１２１の層厚は、輸送しようとする熱量等に応じて決定される。
各熱共振層１２２は、フォノンの平均自由行程が長い材料によって構成され、層厚が対象とするフォノンの平均自由行程よりも短く、かつ、以下の条件を満たすように厚さになっている。
ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数） （１）
ここで、ｍは自然数であり、λは対象とするフォノンの波長である。
熱伝導層１２１は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い材料を用いて形成され、熱共振層１２２は、Ｓｉ等の平均自由行程を長くできる材料を用いて形成される。熱共振層１２２の厚さは、Ｓｉを材料に用いる場合、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍとし、動作温度でのフォノンの平均自由行程よりも短くする。
Ａｇからなり厚さ６ｎｍの熱伝導層１２１とＳｉからなり厚さ６ｎｍの熱共振層１２２とを交互に５０層ずつＳｉ基板上に積層して得られた異方性熱伝導部材１２０と、同様の形状の単層のＳｉシートとを対象に、熱浸透率について比較した。サーモリフレクタンス法を用いて測定した結果、Ｓｉ基板上に形成された異方性熱伝導部材１２０およびＳｉシートに対して、熱浸透率は、それぞれ、１１００Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１、３５０００Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１となった。すなわち、異方性熱伝導部材１２０の熱浸透率がＳｉシートの熱浸透率の１／２０以下の値となった。このように、異方性熱伝導部材１２０を用いることによって異方性熱伝導部材の層に垂直方向への熱拡散を抑えることが可能となり、ヒートシンク等への熱伝達を効率的にすることができるため、冷却効率が５倍以上も飛躍的に改善できる。
次に、ヒートリード１３０には、熱伝導率が高く加工しやすいＡｕを材料として用いることが好ましいが、熱伝導率が高く加工しやすいその他の材料を用いるのでもよい。
接触層１４０は、異方性熱伝導部材１２０とヒートリード１３０との間の熱接触抵抗を低く抑えることができる材料を用いて構成される。接触層１４０を、ナノ粒子材料を用いて形成することは、ナノ粒子が異方性熱伝導部材１２０とヒートリード１３０との間の隙間を密に埋めることができ、もって熱接触抵抗を低く抑えることができるため好ましい。また、このナノ粒子として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い物質からなるものを用いることは、熱接触抵抗を更に低く抑えることができるため好ましい。ナノ粒子材料として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属ナノペーストを用いるのでもよい。
保護膜１５０は、異方性熱伝導部材１２０、ヒートリード１３０、及び接触層１４０を覆うように形成され、異方性熱伝導部材１２０とヒートリード１３０との接合を強化し維持する機能を有する。保護膜１５０としては、耐久性、耐熱性等を有するものが好ましく、例えば、耐久性、耐熱性等を有する樹脂を用いるのでもよい。
以下、本発明の第１の実施の態様の半導体素子１００の作用について放熱の観点から説明する。以下では、ヒートリード１３０は、熱伝導率の高い基板等の上に設けられ又は接続され、相対的に低い温度になっているものとする。まず、半導体チップ１１０が発生した熱は、異方性熱伝導部材１２０に伝わっていき、異方性熱伝導部材１２０内を温度勾配に応じて流れる。ここで、異方性熱伝導部材１２０は、面内で高い熱伝導率を有するため、半導体チップ１１０における局部的に突出して温度の高い部分の温度を下げ面内の温度分布を均一化させる。異方性熱伝導部材１２０内の熱は、接触層１４０を介して、ヒートシンクに接続されて温度が低いヒートリード１３０側に伝達し、ヒートリード１３０を介してヒートシンクに放熱される。
携帯機器用の半導体素子、パワー素子向けの半導体素子等で用いられるパッケージでは、半導体チップの劣化を防ぐためにラミネート加工が施されており、パッケージ内の半導体素子から熱を逃がすためにヒートシンクを取り付けても有効に熱を逃がすことが難しい。そのため、以上説明したように本発明の第１の態様では、半導体チップ上に直に異方性熱伝導部材を形成し、さらに異方性熱伝導部材の端部にヒートリードを設け、ヒートリードを介してヒートシンクに放熱する構成とし、効果的に放熱できるようにした。
（第２の実施の態様）
図３は、本発明の第２の実施の態様のレーザ素子の断面構造を示す模式図である。図３において、レーザ素子３００は、端面出射型のレーザチップ３１０のレーザチップ３１０を挟む２つの端面上にそれぞれ配置された異方性熱伝導部材３２０と、接触層３４０を介して異方性熱伝導部材３２０に接触するように形成されたヒートシンク３３０と、異方性熱伝導部材３２０とヒートシンク３３０とを熱的に接触させる接触層３４０とを備えるように構成される。図３において、レーザ光の出射方向はレーザチップ３１０の断面に垂直な方向である。
異方性熱伝導部材３２０は、端面出射型のレーザチップ３１０を挟む２つの端面のうちの共振方向に沿った端面上にそれぞれ配置される。本発明の第２の実施の態様の異方性熱伝導部材３２０は、本発明の第１の実施の態様の異方性熱伝導部材１２０と同様の層構成を有するため、その説明を省略する。
ヒートシンク３３０は、異方性熱伝導部材３２０が配置された端面に交差する端面上に配置される。ここで、ヒートシンク３３０は、ヒートスプレッダ３３１、ベース３３２、底板３３３、調心治具取付け用に使用するレーザ固定部材３３４、および外部ヒートシンク３３５によって構成され、レーザ素子３００は、アース電位となる電極がヒートシンクに電気的に接続されているものとし、その他の電位となる電極は電気的に絶縁されているものとする。
ヒートスプレッダ３３１とベース３３２とは、レーザ固定部材３３４を用いて例えば溶接等によって相互に固定される。溶接の方法としては、例えばＹＡＧ溶接がある。ヒートスプレッダ３３１は例えばＣｕＷ等の熱膨張率が小さく熱伝導率の高い合金からなり、ベース３３２は例えばＡｌＮ等の熱伝導率が高く絶縁性の材料からなり、底板３３３および外部ヒートシンク３３５はＣｕ等の熱伝導率の高い材料を用いて形成される。
接触層３４０は、異方性熱伝導部材３２０とヒートシンク３３０との間の熱接触抵抗を低く抑えることができる材料を用いて構成される。接触層３４０を、ナノ粒子材料を用いて形成することは、ナノ粒子が異方性熱伝導部材３２０とヒートシンク３３０との間の隙間を密に埋めることができ、もって熱接触抵抗を低く抑えることができるため好ましい。ナノ粒子材料は、本発明の第１の実施の態様の説明で記載したものと同様のものを用いることができる。
図４は、本発明の第２の実施の態様のレーザ素子との比較例としての、従来のレーザ素子の断面構造を示す模式図である。従来のレーザ素子４００は、端面出射型のレーザチップ４１０が複数の部材４３１〜４３３からなるヒートシンク上に設置され、レーザチップ４１０側の２つの部材４３１、４３２がレーザ固定部材４３５によって固定される構成を有する。かかる従来の構成では、レーザ素子４００が発生する熱は３次元的に拡散すると共に、一方の端面側でヒートシンクに固定されるため、温度分布の偏りが生じてしまう。
以下、本発明の第２の実施の態様のレーザ素子３００の作用について放熱の観点から説明する。まず、レーザチップ３１０が発生した熱は、異方性熱伝導部材３２０に伝わっていき、異方性熱伝導部材３２０内を温度勾配に応じて流れる。熱は、異方性熱伝導部材３２０内を温度の低いヒートシンク３３０側に伝達し、ヒートシンク３３０で外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材３２０は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材３２０内の熱伝導層内に閉じ込められたままヒートシンク３３０側に伝達する。その結果、レーザチップ３１０を効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、レーザチップ３１０内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
光通信における発光、光増幅等の用途に用いられるレーザモジュール（以下、単にレーザモジュールという。）では熱の発生量が多いため、波長の安定性、発光効率の低下が問題となる。本発明の第２の実施の態様のレーザ素子３００では、異方性熱伝導部材３２０がヒートシンク３３０に直接接触する上記の構成を採用することによって、波長の安定性、高い発光効率等を確保することが可能となっている。このとき、異方性熱伝導部材をレーザモジュールの表面に形成することによって、レーザモジュールの発光領域に接近して熱を有効に抽出できるため、パッケージサイズを大幅に縮小できる。
なお、上記では、レーザチップ３１０とヒートシンク３３０とが接触層３４０を介して接触するように形成される構成について説明したが、レーザチップ３１０とヒートシンク３３０とは必ずしも接触して配置される必要はなく、ヒートシンク３３０をレーザチップ３１０から所定距離離れた位置に形成し、異方性熱伝導部材３２０がヒートシンク３３０に直接接触する構成であってもよい。また、ヒートシンク３３０は、片側にのみ設けられるのでもよい。
（第３の実施の態様）
図５は、本発明の第３の実施の態様の積層型半導体素子の断面構造を示す模式図である。図５において、積層型半導体素子５００は、半導体チップを有する層（以下、半導体チップ層という。）５１０と異方性熱伝導部材からなる層（以下、異方性熱伝導部材層という。）５２０とが交互に積層され３次元実装構造を有する３次元実装積層型半導体と、３次元実装積層型半導体の各層５１０、５２０に交差する側面上に形成されたヒートシンク５３０と、各半導体チップに接続する電極５４０と、基板５５０とを備えるように構成される。
本発明の第３の実施の態様の異方性熱伝導部材は、本発明の第１の実施の態様の異方性熱伝導部材１２０と同様の層構成を有するものとし、その説明を省略する。また、半導体チップ層５１０と異方性熱伝導部材層５２０とは、本発明の第１の実施の態様で説明した構成と同様に熱接触抵抗が低くなるように積層されている。具体的には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い物質からなるナノ粒子を各界面に挟む等によって界面の接触を高め熱接触抵抗の低減が図られる。
ヒートシンク５３０は、発熱量が３次元実装によって増大しているため、ベースに複数のフィンを設けて放熱面積を広くしたものが熱をより効果的に放出でき、好ましい。また、ヒートシンク５３０を複数設けることは、上記の観点から更に好ましい。
電極５４０としては、所定の１層以上の層を貫通する貫通電極を用いることができる。このように構成することによって、動作の高速化が図れ、好ましい。この場合、ＢＧＡ技術を用いて基板５５０上に電極端子を面実装して取り出すのは、出力端子数を増やすことができる等の観点から好ましい。ただし、電極５４０は、貫通電極に制限されるものではなく、リードフレーム技術を用いて構成されるのでもよい。リードフレーム技術を用いる場合、保護用の樹脂として熱伝導率が高いものを用い、保護層の厚さを可能な限り薄くするものとする。
以下、本発明の第３の実施の態様の積層型半導体素子５００の作用について放熱の観点から説明する。まず、半導体チップ層５１０で発生した熱は、周囲の異方性熱伝導部材層５２０に伝わっていき、異方性熱伝導部材層５２０内を温度勾配に応じて流れる。熱は、異方性熱伝導部材層５２０内を温度の低いヒートシンク５３０側に伝達し、ヒートシンク５３０で外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材５２０は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材内の２次元的空間に閉じ込められたままヒートシンク５３０側に伝達する。その結果、半導体チップ層５１０を効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、半導体チップ層５１０内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
所謂シリコン半導体パッケージ等においては、ロジックチップと大容量のメモリチップとを１つのパッケージ内に搭載するシステムインパッケージ化が進んでいるが、その実装方式として半導体チップ層を多層に積層する方法が用いられる。このように積層して得られる従来の多層チップおいては、内側の層内の半導体チップが発生する熱は、逃げ場がないためシリコン半導体パッケージ内部の温度を上昇させてしまっていた。その結果、内部温度の上昇の観点から半導体チップ層の積層数に大きな制限があった。本発明の第３の実施の態様の積層型半導体素子５００では、上記のように半導体チップ層５１０と半導体チップ層５１０との間に異方性熱伝導部材層５２０を設けて積層することによって内部温度の上昇を大幅に緩和できるため、熱的な観点からの積層数の制限を大幅に緩和することが可能となっている。その結果、ロジック回路に接続するメモリ回路を大幅に増加させることが可能となる。
（第４の実施の態様）
図６は、本発明の第４の実施の態様の積層型高出力レーザ素子の断面構造を示す模式図である。図６において、積層型高出力レーザ素子６００は、出射方向を揃えて１列に配置された端面出射型のレーザチップを有する層（以下、レーザチップ層）６１０と異方性熱伝導部材からなる層（以下、異方性熱伝導部材層）６２０とが交互に積層された積層型高出力レーザ素子と、積層型高出力レーザ素子の各層６１０、６２０に交差する側面上に異方性熱伝導部材層６２０に接触するように形成されたヒートシンク６３０と、各レーザチップに電流を供給するための図示しない電極とを備えるように構成される。積層型高出力レーザ素子６００は、例えば、所定の平板部材６４０上に固定されるのでもよい。
図６において、異方性熱伝導部材層６２０は、端面出射型のレーザチップの共振方向に沿った端面上に配置される。本発明の第４の実施の態様の異方性熱伝導部材６２０は、それぞれ、本発明の第３の実施の態様の異方性熱伝導部材５２０と同様の層構成を有するものとし、その説明を省略する。また、レーザチップ層６１０と異方性熱伝導部材６２０とは、本発明の第３の実施の態様で説明した構成と同様に熱接触抵抗が低くなるように積層されている。レーザ光の出射方向は、図６に示すように、図６の右方向である。
ヒートシンク６３０は、電力消費の大きいレーザチップが積層される構成では発熱量が増大しているため、ベースに複数のフィンを設けて放熱面積を広くしたものが熱をより効果的に放出でき好ましい。また、ヒートシンク６３０をこのように構成することによって、積層型高出力レーザ素子６００の小型化も可能となり好ましい。
以下、本発明の第４の実施の態様の積層型高出力レーザ素子６００の作用について放熱の観点から説明する。まず、レーザチップ内で発生した熱は、周囲の異方性熱伝導部材層６２０に伝わっていき、異方性熱伝導部材層６２０内の温度勾配に応じて流れる。熱は、異方性熱伝導部材層６２０内を温度の低いヒートシンク６３０側に伝達し、ヒートシンク６３０で外部に放熱される。ここで、異方性熱伝導部材６２０は、熱伝導率の異方性が高いため、熱は、外部に拡散せず異方性熱伝導部材内の２次元的空間に閉じ込められたままヒートシンク６３０側に伝達する。その結果、積層型高出力レーザ素子６００を効率良く冷却できると共に、小型化できる。さらに、積層型高出力レーザ素子６００内の温度分布の偏りを減少させることが可能となる。
レーザ加工等の分野では、高出力の半導体レーザが求められ、高出力化のためにレーザチップの多層化が進められてきている。多層化を進める場合、内部に配列された半導体チップからの熱を如何に放熱するかが大きな問題であった。本発明の第４の実施の態様の積層型高出力レーザ素子６００では、上記のようにレーザチップ層６１０とレーザチップ層６１０との間に異方性熱伝導部材層６２０を設けて積層することによって、内部に配列されたレーザチップの温度の上昇を大幅に緩和することが可能となっている。
なお、ナノ粒子材料を介してレーザチップ層６１０と異方性熱伝導部材層６２０とを接触させるのは、ナノ粒子がレーザチップ層６１０と異方性熱伝導部材層６２０との間の隙間を密に埋めることができ、もって熱接触抵抗を低く抑えることができるため好ましい。ここで、ナノ粒子としては、金属粒子、酸化物粒子、ハンダ粒子等からなるものを用いるのでもよい。
また、レーザチップは、出射方向を揃えて出射方向に直角に１列に配置される構成でも、出射方向を揃えてレーザチップを面上に積層して配列される構成でもよい。レーザチップが出射方向に直角に１列に配置される場合は、１対の異方性熱伝導部材層を用いて１列に配列されたレーザチップを挟み、隣り合うレーザチップ間に隙間を設けてこの隙間から電極をとるように構成するのでもよい。レーザチップが面上に配置される場合は、上記の１列に配列されたレーザチップからなる層と異方性熱伝導部材層とを交互に配置し、１列に配列されたレーザチップからなる層の隣り合うレーザチップ間に隙間を設けてこの隙間から電極をとるように構成するのでもよいし、面状に積層して配置されたレーザチップ間の導通を外部から異方性熱伝導部材の層をまたぐように設ける等、電極の配置は必要に応じて適宜変更することができる。
また、上記のように、レーザチップが出射方向を揃えて１列または面状に配列された構成の積層型高出力レーザ素子をレーザモジュールとして基板に組み込み、自動車用制御機器、高出力加工装置等に搭載し電子機器を構成するのでもよい。また、電子機器内のレーザチップ等の発熱体から異方性熱伝導部材を用い基板面に平行な方向に熱を移送し、発熱源から所定距離離間した位置のヒートシンクに熱を移送し放熱するように電子機器を構成するのでもよい。
なお、上記では、ヒートシンク６３０が１つの場合について説明したが、ヒートシンクは、例えば、積層型高出力レーザ素子の他の側面等に複数配置される構成でもよい。
（第５の実施の形態）
次に、本発明を具体化した第５の実施の形態に係る半導体素子を図７に基づいて説明する。
本実施形態に係る半導体素子は、上記第１の実施の形態で説明した異方性熱伝導部材（図２に示す異方性熱伝導部材１２０）を放熱に利用したハイパワーＬＥＤ（発光ダイオード）素子である。
半導体素子としてのハイパワーＬＥＤ素子７０は、異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜７１と、発熱体としてのＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）７２と、基板７３とを備える。基板７３は汎用基板である。この基板７３上に異方性熱伝導膜７１が形成されている。この異方性熱伝導膜７１の表面上にＬＥＤチップ７２が実装されている。異方性熱伝導膜７１は、上記第１の実施の形態で説明した異方性熱伝導部材１２０（図２参照）と同様の構成を有する。ハイパワーＬＥＤ素子７０の両側面には、冷却放熱手段７４が接触層７５をそれぞれ介して配置されており、異方性熱伝導膜７１の露出した両端面が接触層７５をそれぞれ介してペルチェ素子７４と熱的に良好に接触するようになっている。冷却放熱手段７４としては、例えばペルチェ素子が用いられる。
ここで、本実施形態に係る半導体素子７０との比較例として、２つの従来技術を図１０および図１１に基づいて説明する
図１０は、複合構造により発熱体の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子を示している。このハイパワーＬＥＤ素子は、金属製の基板である金属ベース７６と、中央に開口部を有するように金属ベース７６の表面に形成された樹脂層７７と、樹脂層７７の開口部で露出した金属ベース７６の表面および樹脂層７７の一部の表面上に、Ｖ字形状の断面を有するように形成されたＡｌＮパッケージ７８と、このＡｌＮパッケージ７８中央の平坦面上に実装されたＬＥＤチップ７９とを備えている。この従来技術では、素子設計上、構造に制約がある。
また、図１１は、高熱発熱パッケージ構造により発熱体の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子を示している。このハイパワーＬＥＤ素子は、ＡｌＮ製のＡｌＮ基板８０と、ＡｌＮ基板８０中央の表面上に実装されたＬＥＤチップ８１と、ＬＥＤチップ８１の周囲を囲むようにＡｌＮ基板８０の表面上に形成されたＡｌＮパッケージ８２とを備えている。この従来技術では、基板自体がＡｌＮ製であり、部品コストが高くなる。
以上の構成を有する第５の実施の形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○基板７３上に異方性熱伝導膜７１を形成し、この異方性熱伝導膜７１の表面上にＬＥＤチップ７２を実装することでハイパワーＬＥＤ素子７０を作製できるので、図１０に示す上記従来技術のような素子設計上、構造に制約がなくなる。これと共に、基板７３は汎用基板で良いので、部品コストを低減できる。これにより、構造が簡単で、汎用基板への高効率成膜が可能となり、製造コストを低減することができる。
○異方性熱伝導膜７１によりＬＥＤチップ７２全体の温度分布が平坦化されて、ＬＥＤチップ７２のピーク温度が下げられるので、ハイパワーＬＥＤ素子７０の長寿命化を図ることができる。
○異方性熱伝導膜７１の露出した両端面が接触層７５をそれぞれ介してペルチェ素子７４と熱的に良好に接触するようになっている。このため、異方性熱伝導膜７１により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、ＬＥＤチップ７２からの熱が異方性熱伝導膜７１を介してペルチェ素子７４に伝達され、放熱されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能なハイパワーＬＥＤ素子を実現できる。
（第６の実施の形態）
次に、本発明を具体化した第６の実施の形態に係る半導体素子を図８および図９に基づいて説明する。
本実施形態に係る半導体素子は、上記第１の実施の形態で説明した異方性冷却素子の異方性熱伝導部材を放熱に利用した半導体レーザ素子である。図８はこの半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図で、図９はその詳細な構造を一部破断して示した斜視図である。なお、図８と図９は同じ構成の半導体素子を示しているが、図８は異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜を電流狭窄層の内部に形成した例を示してあり、図９は異方性熱伝導膜を電流狭窄層の下部に形成した例を示してある。
半導体素子としての半導体レーザ素子９０は、図８に示すように、多重量子井戸（ＭＱＷ）層からなる活性層９１と電流狭窄層９２とを有し、異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜９３が電流狭窄層９２の内部に形成されている。
また、半導体レーザ素子９０は、図８および図９に示すように、基板１０３と、基板１０３の裏面側に形成された下部電極９４と、基板１０３の表面側に順に形成されたｎ型下部クラッド層９５、活性層９１、ｐ型上部クラッド層９６、ｐ型コンタクト層９７および上部電極９８と、を備える。電流狭窄層９２は、ｎ型下部クラッド層９５に隣接するｐ型層９２１と、ｐ型上部クラッド層９６に隣接するｎ型層９２２とを有する。符号「９９」はトンネル接合である。
本実施形態では、異方性熱伝導膜９３は、電流狭窄層９２の内部で、ｐ型層９２１とｎ型層９２２との間に形成されている。この異方性熱伝導膜９３は、以下の製造方法で形成する。
まず、電流狭窄のためのｐ型層９２１を形成後、異方性熱伝導膜９３を形成し、その後、ｎ型層９２２を形成する。
また、図８において、符号「１６０」は半導体レーザ素子９０の光出射側端面に形成された反射防止膜（ＡＲ膜）或いは非反射膜であり、符号「１６１」はその光反射側端面に形成された高反射膜（ＨＲ膜）である。なお、図８において、反射防止膜１６０の奥は本来見えないが、反射防止膜１６０を透視的に示して半導体レーザ素子９０の光出射側端面の断面構造が見えるようにしてある。そして、半導体レーザ素子９０の両側面には、図７に示すハイパワーＬＥＤ素子７０と同様に、冷却放熱手段が接触層をそれぞれ介して配置されており、異方性熱伝導膜９３の露出した両端面が接触層をそれぞれ介してペルチェ素子等の冷却放熱手段と熱的に良好に接触するようになっている。
このような構成を有する半導体レーザ素子９０では、下部電極（陰極）９４と上部電極（陽極）９８間に電流を注入すると、上部電極９８から注入された電流は、左右の電流狭窄層９２により電流流路を制限されて横方向に流れた後、トンネル接合９９を通過して流れ、正孔となって活性層９１に至る。こうして活性層９１に注入された正孔は、下部電極９４から注入される電子と再結合されて発光する。この発光した光が光出射側端面の反射防止膜１６０と光反射側端面の高反射膜１６１間を往復することで増幅されてレーザ発振に至り、反射防止膜１６０を通過してレーザ光として外部へ出射される。
以上の構成を有する第６の実施の形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○電流狭窄層９２内部に形成された異方性熱伝導膜９３により半導体レーザ素子９０の活性層９１近傍の温度分布が平坦化されて、活性層９１近傍のピーク温度が下げられる。これにより、活性層９１近傍の低温化、特に活性層９１近傍のピーク温度の低温化を図ることができるので、半導体レーザ素子９０の長寿命化を図ることができる。
○半導体レーザ素子９０の両側面には、冷却放熱手段が接触層をそれぞれ介して配置され、異方性熱伝導膜９３の露出した両端面が接触層をそれぞれ介してペルチェ素子等の冷却放熱手段と熱的に良好に接触するようになっている。これにより、異方性熱伝導膜９３により層に垂直方向の熱浸透率である層垂直方向熱浸透率が低く抑えられると共に、半導体レーザ素子９０からの熱が異方性熱伝導膜９３を介して冷却放熱手段に伝達されるので、省スペースかつ冷却効率および熱電変換効率の向上が可能な半導体レーザ素子９０を実現できる。
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・図８に示す上記第６の実施の形態では、異方性熱伝導膜９３を、電流狭窄層９２の内部で、ｐ型層９２１とｎ型層９２２との間に形成した例について説明したが、異方性熱伝導膜９３を電流狭窄層９２のｐ型層９２１の内部、或いは、ｎ型層９２２の内部に形成しても良い。
・また、異方性熱伝導膜９３を図９に示すように電流狭窄層９２の下部に形成してもよい。この異方性熱伝導膜９３は、次の製造方法で形成する。メサストラップを形成後、周辺部分に異方性熱伝導膜９３を形成し、その上層に電流狭窄のための電流狭窄層９２を構成するｐ型層９２１と、ｎ型層９２２を順次形成する。
・また、異方性熱伝導膜９３を電流狭窄層９２の上部に形成してもよい。この異方性熱伝導膜９３は、次の製造方法で形成する。電流狭窄のためのｐ型層９２１、ｎ型層９２２を形成後、異方性熱伝導膜９３を形成する。
・このように、本発明は、異方性熱伝導膜９３が活性層９１の近傍に配置される構成、つまり、異方性冷却素子の異方性熱伝導部材としての異方性熱伝導膜９３が電流狭窄層９２の内部、上部および下部のいずれかに形成されている半導体素子に広く適用可能である。
本発明に係る異方性熱伝導部材を有する半導体素子、レーザ素子、これらのモジュールおよび電子機器は、冷却効率の向上および省スペース化が可能という効果を有し、かかる効果が有効な半導体素子、レーザ素子、これらのモジュールおよび電子機器等として有用である。
本発明の第１の実施の態様の半導体素子の構成を説明するための部分断面図。 本発明の第１の実施の態様の異方性熱伝導部材の断面構造の一例を模式的に示す図。 本発明の第２の実施の態様のレーザ素子の断面構造を示す模式図。 本発明の第２の実施の態様のレーザ素子との比較例としての、従来のレーザ素子の断面構造を示す模式図。 本発明の第３の実施の態様の積層型半導体素子の断面構造を示す模式図。 本発明の第４の実施の態様の積層型高出力レーザ素子の断面構造を示す模式図。 本発明の第５の実施の態様に係るハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。 本発明の第６の実施の態様に係る半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図。 同半導体レーザ素子の詳細な構造を一部破断して示した斜視図。 発熱体の放熱をする従来のハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。 従来のハイパワーＬＥＤ素子の概略構成を示す断面図。
符号の説明
７０ ハイパワーＬＥＤ素子
７１ 異方性熱伝導膜
７２ ＬＥＤチップ
７３ 基板
９０ 半導体レーザ素子
９１ 活性層
９２ 電流狭窄層
９３ 異方性熱伝導膜
１００、２００ 半導体素子
１１０、２１０ 半導体チップ
１２０、２２０、３２０ 異方性熱伝導部材
１２１ 熱伝導層
１２２ 熱共振層
１３０、２３０ ヒートリード
１４０、２４０、３４０ 接触層
１５０、２５０ 保護膜
２６０ 回路基板等の部材
３００、４００ レーザ素子
３１０、４１０ レーザチップ
３３０、５３０、６３０ ヒートシンク
３３１ ヒートスプレッダ
３３２ ベース
３３３、４３４ 底板
３３４、４３５ レーザ固定部材
３３５ 外部ヒートシンク
４３１〜４３３ ヒートシンク用部材
５００ 積層型半導体素子
５１０ 半導体チップ層
５２０、６２０ 異方性熱伝導部材層
５４０ 電極
５５０ 基板
６００ 積層型高出力レーザ素子
６１０ レーザチップ層
６４０ 平板部材

Claims (18)

  1. 半導体チップと、前記半導体チップの少なくとも１つの面に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記異方性熱伝導部材内の熱を外部に放熱するヒートリードと、前記異方性熱伝導部材と前記ヒートリードとを熱的に接触させる接触層と、前記異方性熱伝導部材、ヒートリード及び前記接触層を覆う保護膜と、を備えることを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数） （１）
  2. 端面出射型のレーザチップと、前記レーザチップの共振方向に沿った端面であって前記レーザチップを挟む２つの積層方向の端面の少なくとも一方に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記異方性熱伝導部材が形成された積層方向端面に交差する端面であって前記共振方向に沿った端面上に、接触層を介して前記異方性熱伝導部材に接触するように形成されたヒートシンクと、を備えるレーザ素子として構成され、前記レーザチップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数）（１）
  3. 端面出射型のレーザチップと、前記レーザチップの共振方向に沿った端面であって前記レーザチップを挟む２つの積層方向の端面の少なくとも一方に形成され、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、前記レーザチップから所定距離離れた位置に形成されたヒートシンクと、を備えるレーザ素子として構成され、前記レーザチップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数） （１）
  4. 半導体チップを有する層と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材からなる層とが交互に積層され３次元実装構造を有する３次元実装積層型半導体チップと、
    前記３次元実装積層型半導体チップの各層に交差する側面上に形成されたヒートシンクと、
    前記半導体チップの各層に接続する電極と、
    を備える積層型半導体素子として構成され、前記半導体チップが発生する熱を前記異方性熱伝導部材からなる層を介して前記ヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数）（１）
  5. 出射方向を揃えて１列に配置されたレーザチップを有する層と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材からなる層とが交互に積層された積層型高出力レーザチップと、
    前記レーザチップの各層に交差する側面上に前記異方性熱伝導部材に接触するように形成されたヒートシンクと、
    前記レーザチップの各層に接続する電極と、
    を備える積層型高出力レーザ素子として構成され、前記レーザチップの各層が発生する熱を前記異方性熱伝導部材からなる層を介してヒートシンクに伝達させて放熱することを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数）（１）
  6. 前記電極が前記半導体チップのいずれか１つ以上の層を貫通する貫通電極であることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
  7. 請求項１、４に記載の前記半導体チップと、前記異方性熱伝導部材とを金属粒子、酸化物粒子、およびハンダ粒子のいずれかからなるナノ粒子を介して接触させることを特徴とする半導体素子。
  8. 請求項２、３、５のいずれか一つに記載の前記レーザチップと、前記異方性熱伝導部材とを金属粒子、酸化物粒子、およびハンダ粒子のいずれかからなるナノ粒子を介して接触させることを特徴とする半導体素子。
  9. 請求項１、４に記載の半導体チップを有する半導体素子から構成されたことを特徴とする半導体モジュール。
  10. 請求項２、３、５のいずれか一つに記載のレーザチップを有する半導体素子から構成されたことを特徴とするレーザモジュール。
  11. 請求項１０に記載のレーザチップを有する半導体素子を複数個並列に並べた構造を有し、レーザモジュールとして構成されたことを特徴とするレーザモジュール。
  12. 請求項９に記載の半導体モジュールを基板に組み込んだことを特徴とする電子機器。
  13. 請求項１２に記載の電子機器が自動車用制御機器であることを特徴とする電子機器。
  14. 熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材を備え、発熱源から前記異方性熱伝導部材を用い基板面に平行な方向に熱を移送し、発熱源から所定距離離間した位置のヒートシンクに熱を移送し放熱を行うことを特徴とする電子機器。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数） （１）
  15. 発光ダイオードチップと、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が動作温度での対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、基板と、を備え、
    前記基板上に前記異方性熱伝導部材が形成されており、前記異方性熱伝導部材の表面上に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数） （１）
  16. 前記異方性熱伝導部材の側面と前記基板の側面のうち、少なくとも前記異方性熱伝導部材の側面に、前記発光ダイオードチップから前記異方性熱伝導部材を介して伝達した熱を吸熱して冷却または放熱する１つ以上の冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子。
  17. 活性層および電流狭窄層を有する半導体レーザ素子と、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導層と層厚（ｔ）が対象とするフォノンの平均自由工程より短く、且つ、層厚（ｔ）がｍを自然数とし、対動作温度での象とするフォノンの波長をλで記載した場合に、以下の式（１）を満たす厚さになっている熱共振体層とが交互に積層された異方性熱伝導部材と、基板と、を備え、前記異方性熱伝導部材が前記電流狭窄層の内部、上部および下部のいずれかに形成されていることを特徴とする半導体素子。
    ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８ （ｍは自然数）（１）
  18. 前記半導体レーザ素子の側面に冷却放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009088386A (ja) * 2007-10-02 2009-04-23 Rohm Co Ltd パワーモジュール
US8233512B2 (en) 2007-12-21 2012-07-31 Mitsubishi Electric Corporation Laser light source module
DE102011055891B9 (de) * 2011-11-30 2017-09-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaserdiode
KR101470754B1 (ko) * 2013-08-28 2014-12-09 영남대학교 산학협력단 발광 다이오드

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4888247A (en) * 1986-08-27 1989-12-19 General Electric Company Low-thermal-expansion, heat conducting laminates having layers of metal and reinforced polymer matrix composite
JPH01181550A (ja) * 1988-01-12 1989-07-19 Toppan Printing Co Ltd 多層電子回路
JP3345986B2 (ja) * 1993-10-15 2002-11-18 松下電器産業株式会社 グラファイト熱伝導体およびそれを用いたコールドプレート
JP4550613B2 (ja) * 2005-02-21 2010-09-22 古河電気工業株式会社 異方熱伝導材料

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9553083B2 (en) 2014-07-21 2017-01-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for controlling heat flow

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